研究人员开发出新型植物纳米仿生传感器来监测土壤中的砷含量

来自新加坡麻省理工学院在新加坡的研究企业——新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟 (SMART) 的跨学科研究小组 (IRG) 的颠覆性和可持续农业精准技术 (DiSTAP) 的科学家设计了一种新型植物纳米仿生光学传感器可以实时检测和监测地下环境中剧毒重金属砷的水平。与用于测量环境中砷的传统方法相比，这一进展具有显着优势，并且对于环境监测和农业应用以保障食品安全具有重要意义，因为砷是许多常见农产品(如大米、蔬菜和茶叶)中的污染物.

最近发表在Advanced Materials 上的一篇题为“用于砷检测的植物纳米仿生传感器”的论文中描述了这种新方法。该论文由麻省理工学院 (MIT) 最近的研究生 Tedrick Thomas Salim Lew 博士领导，并由 DiSTAP 的共同首席研究员和麻省理工学院 Carbon P. Dubbs 教授 Michael Strano 合着，作为以及麻省理工学院的研究生 Minkyung Park 和 Jianqiao Cui。

砷及其化合物对人类和生态系统构成严重威胁。人类长期接触砷会导致广泛的有害健康影响，包括心血管疾病，如心脏病发作、糖尿病、先天缺陷、严重的皮肤损伤，以及包括皮肤、膀胱和肺癌在内的多种癌症。采矿和冶炼等人为活动导致土壤中砷含量升高也对植物有害，抑制生长并导致大量作物损失。更令人不安的是，粮食作物会从土壤中吸收砷，导致人类食用的食物和农产品受到污染。地下环境中的砷还会污染地下水和其他地下水源，长期食用会导致严重的健康问题。因此，开发准确、有效且易于部署的砷传感器对于保护农业和更广泛的环境安全非常重要。

这些由 SMART DiSTAP 开发的新型光学纳米传感器在检测到砷时表现出荧光强度的变化。这些传感器嵌入植物组织中，对植物没有不利影响，提供了一种非破坏性方式来监测植物从土壤中吸收的砷的内部动态。这种光学纳米传感器在活植物中的集成使植物能够从自然环境中转化为自供电的砷检测器，标志着当前传统方法的时间和设备密集型砷采样方法的重大升级。

主要作者 Tedrick Thomas Salim Lew 博士说：“我们的基于植物的纳米传感器不仅是同类产品中的第一个，而且与测量地下环境中砷含量的传统方法相比具有显着优势，需要更少时间、设备和人力。我们预计这项创新最终将在农业及其他领域得到广泛应用。我感谢 SMART DiSTAP 和淡马锡生命科学实验室 (TLL)，他们都在创意产生、科学讨论方面发挥了重要作用以及这项工作的研究经费。”

除了检测大米和菠菜中的砷外，该团队还使用了一种蕨类植物 Pteris cretica，它可以超积累砷。这种蕨类植物可以吸收和耐受高水平的砷，而不会产生有害影响——设计了一种超灵敏的植物砷检测器，能够检测极低浓度的砷，低至十亿分之 0.2 (ppb)。相比之下，砷探测器的监管限制是十亿分之十。值得注意的是，新型纳米传感器还可以集成到其他植物物种中。这是第一次成功地展示了基于植物的活砷传感器，代表了一项突破性的进步，可以证明在农业研究中非常有用(例如监测食用作物吸收的砷，以确保食品安全)，以及一般的环境监测。

以前，测量砷水平的传统方法包括定期现场取样、植物组织消化、提取和使用质谱法分析。这些方法非常耗时，需要大量的样品处理，并且通常需要使用笨重且昂贵的仪器。SMART DiSTAP 将纳米颗粒传感器与植物通过根部有效提取分析物并运输它们的天然能力相结合的新方法，允许使用便携式、廉价的电子设备(例如便携式 Raspberry Pi 平台)实时检测活植物中的砷吸收配备电荷耦合器件 (CCD) 摄像头，类似于智能手机摄像头。

合著者、DiSTAP 共同首席研究员和麻省理工学院教授 Michael Strano 补充说：“这是一个非常令人兴奋的发展，因为我们第一次开发了一种纳米仿生传感器，可以检测砷——一种严重的环境污染物和潜在的砷。公共健康威胁。与旧的砷检测方法相比，这种新型传感器具有许多优势，可以改变游戏规则，因为它不仅更省时，而且比旧方法更准确、更容易部署。它还将有助于TLL 等组织中的植物科学家，以进一步生产抗吸收有毒元素的作物。受 TLL 最近努力创造砷含量较低的水稻作物的启发，这项工作是进一步支持 SMART DiSTAP 在食品安全研究方面的努力，不断创新和开发新技术能力以提高新加坡的食品质量和安全的平行努力。”

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